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항공기엔진용 1단계 터빈블레이드에 대한 파손 연구

The Study for Fracture in the First Stage Blade of Aircraft Engine

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.10, 2018년, pp.806 - 813  

윤영웅 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) ,  박형규 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) ,  김정 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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항공기 엔진을 구성하는 부품 중 하나인 블레이드의 파손에 대해 분석하였다. 블레이드의 파손원인과 그 거동은 다양하지만 크게 일시파단과 피로파손의 두가지 형태로 나뉘어진다. 이 논문에서는 전체 거동은 일시파단으로 진행되고 일부 피로 파손된 블레이드에 대해 기술하였고, 특히 고온에서의 블레이드 손상거동을 분석하므로써 사례의 하나로 제시하고자 한다. 분석한 블레이드는 니켈기 초내열 합금으로 외관, 재질, 미세조직, 고온 크리프 특성, 파단면 형상을 각각의 분석장비를 활용하여 손상원인과 거동을 확인하였고, 원재질에서 재현하였다. 고온에서 니켈 합금${\gamma}^{\prime}$ 형상이 변형되고 조직변형(Alloy Depletion)구간이 관찰되며 재질의 기계적 성질, 물성치 등이 저하되고 연화되어 장시간 운용 시 파손될 수 있다. 니켈합금은 고온특성이 좋으나 함유되는 미량원소에 따라 그 물성치가 다양하므로 니켈합금이라 하여도 그 목적에 맞는 세분화된 소재를 사용해야한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The fracture of a turbine blade of aerospace engine is presented. Although there are a lot of causes and failure modes in blades, the main failure modes are two ways that fracture and fatigue. Degradation of blade material affects most failure modes. Total propagation of failure in this study specif...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그럼에도 불구하고 파손은 일어나며 이러한 파손들은 발전소는 압축기의 파손양상과 다르게 비교될 수 있다. 고온에서 사용되는 니켈기 초내열합금의 특징에 대한 문헌과 다른 산업의 블레이드 파손 형태의 내용을 참고하여 분석 및 개선방향을 제시해 본다. 그리고 이런 사례연구가 지속되어 항공기의 취약점이 보완되길 기대해 본다.
  • 엔진에 구성되는 각 부품들이 모두 중요하겠지만 그 중에서도 엔진에서 가장 높은 온도에서 작동되어지는 연소부와 고압터빈부의 구성품인 블레이드에 대해 분석하였다. 그 중 1단계 터빈블레이드의 파손원인분석을 수행하였고, 그 사례를 바탕으로 정보를 공유하고 분석능력을 향상시키는 데 기여하고자 한다. 분석은 거시적인 외관분석을 통해 원인을 유추하고, 미세조직분석, 화학성분분석 및 파면분석을 통해 재질의 특성을 이해하며, 고온에서 운용되는 환경과 유사하게 실험 조건을 설정하여 응력파단 고온 크리프시험을 재현하므로써 파손원인에 대해 재발방지할 수 있는 대책, 개선사항을 도출하였다.
  • 고장탐구나 손상원인분석의 보고서 또는 논문에서는 주로 육안검사를 통해 파손이 진행된 형태를 확인하고 현미경을 통한 관찰과 절단하여 소재적인 문제가 있는 지 분석을 진행하는 것이 일반적이다. 본 논문에서는 고장탐구를 통한 원인분석뿐 아니라 그 분석에 대해 손상모드를 재현하므로써 결과를 증명하고 그 결과에 대해 개선, 보완할 수 있는 방향을 제시할 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
블레이드의 파손원인의 주요한 2가지 요소는? 항공기 엔진을 구성하는 부품 중 하나인 블레이드의 파손에 대해 분석하였다. 블레이드의 파손원인과 그 거동은 다양하지만 크게 일시파단과 피로파손의 두가지 형태로 나뉘어진다. 이 논문에서는 전체 거동은 일시파단으로 진행되고 일부 피로 파손된 블레이드에 대해 기술하였고, 특히 고온에서의 블레이드 손상거동을 분석하므로써 사례의 하나로 제시하고자 한다.
터빈이 열에 의한 손상, 피로, 크리프 등에 취약한 이유는? 항공기엔진의 터빈에서는 연소과정에서 발생한 고온, 고압의 연소가스가 터빈을 지나면서 기계적인 동력을 생산하는 역할을 하고, 압축기와 반대의 과정이 일어나는 구간으로, 터빈을 통과하는 공기가 가속, 팽창하여 압력이 낮아지고 이때 공기가 가진 에너지가 터빈의 회전동력으로 전달된다. 따라서 터빈은 연소를 마친 고온, 고압의 가스가 직접적으로 충돌하여 열에 의한 손상, 피로, 크리프 등에 취약하다.
항공기엔진의 터빈이란? 항공기엔진의 터빈에서는 연소과정에서 발생한 고온, 고압의 연소가스가 터빈을 지나면서 기계적인 동력을 생산하는 역할을 하고, 압축기와 반대의 과정이 일어나는 구간으로, 터빈을 통과하는 공기가 가속, 팽창하여 압력이 낮아지고 이때 공기가 가진 에너지가 터빈의 회전동력으로 전달된다. 따라서 터빈은 연소를 마친 고온, 고압의 가스가 직접적으로 충돌하여 열에 의한 손상, 피로, 크리프 등에 취약하다.
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참고문헌 (10)

  1. Mohammad, V., and Masoud, S., "Creep Life Prediction of Inconel 738 Gas Turbine Blade," Journal of Applied Sciences, Vol 9, 2009, pp. 1950-1955. 

  2. Kim, I. S., Choi, B. G., Jung, J. E., Do, J. H., Jung, I. Y., and Jo, C. Y., "Evolution of Microstructure and Mechanical Properties of a Ni Base Superalloy during Thermal Exposure," Journal of Korea Foundry Society, Vol. 36, No. 5, 2016, pp. 159-166. 

  3. Lee, G. J., Kim, J. Y., Kim, J. H., Kim, J. M., and Kim, J. H., "The study for fracture in the last stage blade of a low pressure turbine," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 40, No. 4, 2015, pp. 423-428. 

  4. Zdzislaw, M., Rafael, G. I., Jorge, A. R., and Norberto, P. R., "Steam turbine blade failure analysis," Engineering Failure Analysis, Vol 15, 2008, pp. 129-141. 

  5. Sajjadi, S. A., and Nategh S.. "A high temperature deformation mechanism map for the high performance Ni-based superalloy GD-111," Mater Sci. Eng., A307, No1, 2008, pp. 58-64. 

  6. Yoon, K. B., Lee, H. S., Kim, D. S., and Yang, H. Y., "Material Property Changes of Ni-based Superalloy with Thermal Exposure," Journal of Mechanical Science and Technology, 2010. Vol. 11, pp. 1968-1971. 

  7. ASM Metals Handbook, 8th ed., Vol. 2, 1964, pp. 249. 

  8. ASM Metals Handbook, 8th ed., Vol. 9 1964. 

  9. "Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials," ASTM E8/E8M, 2016. 

  10. "Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials," ASTM E384, 2016. 

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